Konstrukcja Skrzydła Samolotu z Odwróconą Deltą
- Szczegóły
Statki powietrzne to nie tylko samoloty, ale wszystkie urządzenia zdolne do unoszenia się (lotu) w atmosferze na skutek statycznego lub aerodynamicznego oddziaływania powietrza, np.: szybowce, latawce, sterowce, wiatrakowce, motoszybowce, śmigłowce, samoloty, balony czy drony. Jest wiele typów i rodzajów konstrukcji samolotów, ale co do zasady wszystkie one posiadają pewne wspólne elementy.
Podstawowe założenia konstrukcyjne samolotów pozostają niezmienione od czasów braci Wright (pierwszy lot odbył się w 1903 roku i trwał 3,5 sekundy). Zachowanie się ciała w opływającym je powietrzu zależy przede wszystkim od kształtu tego ciała. Kształty zapewniające pożądane właściwości lotne nazywamy kształtami aerodynamicznymi.
W przypadku skrzydeł i usterzeń o własnościach aerodynamicznych decyduje przede wszystkim kształt przekroju równoległego do kierunku lotu, zwany profilem. W zależności od przeznaczenia płata i pożądanych charakterystyk stosowane są różne profile lotnicze: wklęsłowypukłe, płaskowypukłe, dwuwypukłe niesymetryczne i symetryczne, laminarne itd.
Równanie Bernoulliego
Aby zrozumieć mechanizm powstawania siły nośnej, należy zapoznać się z równaniem Bernoulliego. Obrazuje ono wzajemną zależność między ciśnieniami: statycznym i dynamicznym, przy małej prędkości przepływu.
Równanie Bernoulliego mówi, że suma ciśnienia statycznego i dynamicznego wzdłuż strugi przepływającej cieczy jest stała.
Przeczytaj także: Sterowniki i usterki ASUS K52J
Z równania Bernoulliego wynika, że jeżeli w jednym z punktów strugi powietrza prędkość wzrośnie, to w tym punkcie musi zmaleć ciśnienie statyczne i odwrotnie - kiedy prędkość maleje, to ciśnienie statyczne rośnie.
Siły Aerodynamiczne
Zajmiemy się teraz kwestiami związanymi z powstawaniem sił aerodynamicznych na skrzydle. Pamiętać należy, iż skrzydło nie jest jedyną powierzchnią nośną samolotu. Siłę nośną generuje również statecznik poziomy, a także część kadłuba między skrzydłami.
Dla jasności rozważań w dalszej części skoncentrujemy się jedynie na konstrukcji skrzydła i siłach aerodynamicznych powstających na nim. Pod pojęciem sił aerodynamicznych rozumiemy siły i momenty sił spowodowane poruszaniem się ciała w powietrzu.
W mechanice lotu rozkładamy wypadkową siłę aerodynamiczną P na dwie siły składowe:
- Px - opór, czyli siłę równoległą do kierunku ruchu,
- Pz - siłę nośną, czyli siłę prostopadłą do kierunku ruchu, które powodują powstawanie siły nośnej.
Strumień powietrza opływający górną powierzchnię skrzydła ma do pokonania drogę dłuższą niż dolny, zaś zgodnie z zasadą ciągłości ruchu, oba strumienie muszą to zrobić w tym samym czasie. Wobec tego prędkość powietrza przemieszczającego się wzdłuż górnej powierzchni skrzydła musi być większa, niż prędkość strumienia opływającego jego dolną powierzchnię.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Im większa prędkość przepływu, tym ciśnienie jest mniejsze i odwrotnie. Siła nośna rośnie wraz ze wzrostem kąta natarcia, ponieważ zwiększa się różnica prędkości przepływów pomiędzy dolną a górną powierzchnią skrzydła.
Skrzydło samolotu jest bryłą wywołującą różnice prędkości strumieni powietrza je opływających, co z kolei powoduje różnicę ciśnień po obu stronach skrzydła. Im większy kąt natarcia, tym większa prędkość strug powietrza opływających skrzydło, gdyż zwiększa się wówczas różnica długości dróg, którą każdy strumień musi przebyć.
Wraz ze wzrostem prędkości strug, wzrasta również różnica ciśnień po obu stronach skrzydła, co w efekcie powoduje zwiększenie siły nośnej. Ustawiając odpowiednio profil skrzydła do kierunku napływu strug, można wpływać na wielkości poszczególnych składowych sił aerodynamicznych.
Siła Oporu
Wyróżniamy dwa typy przepływu cieczy: przepływ laminarny i przepływ turbulentny.
Przepływem laminarnym (lub inaczej ustalonym) nazywamy taki przepływ, przy którym poszczególne warstwy cieczy przesuwają się, ale nie mieszają się ze sobą. W dowolnym punkcie przepływu prędkość każdej przechodzącej przez ten punkt cząsteczki cieczy jest zawsze taka sama.
Przeczytaj także: Odwrócona osmoza: Twój przewodnik
Jeśli przyspieszymy prędkość przepływu, to w pewnym momencie przepływ laminarny stanie się turbulentny. Prędkość, powyżej której przepływ traci charakter laminarny, zwana jest prędkością krytyczną, a jej wartość określa liczba Reynoldsa.
Przepływ ten jest zwany również przepływem wirowym lub burzliwym; tory cząstek stają się chaotyczne, a poszczególne warstwy mieszają się ze sobą. Cząsteczki cieczy uzyskują dodatkową prędkość, która jest prostopadła do kierunku przepływu, natomiast nie jest ona stała dla danego punktu przestrzeni.
Skrzydło wraz ze wzrostem kąta natarcia staje się bryłą coraz mniej opływową. Zwiększając kąt natarcia powyżej jego wartości krytycznej, na górnej powierzchni skrzydła następuje oderwanie się strug. Procentowy udział poszczególnych składowych oporu skrzydła uzależniony jest od kształtu profilu, obrysu skrzydła i prędkości lotu.
Opór tarcia spowodowany jest lepkością opływającego skrzydło powietrza. Cząsteczki powietrza opływające skrzydło wskutek lepkości przylegają do niego, a więc mają względem niego prędkość równą zeru. Im dalej od powierzchni skrzydła, tym szybciej poruszają się cząsteczki powietrza, aż osiągną prędkość zbliżoną do prędkości przepływu niezakłóconego.
Zatem w bezpośredniej bliskości powierzchni skrzydła znajduje się warstwa, w której prędkość powietrza rośnie od zera do prędkości przepływu. Jest to tzw. warstwa przyścienna. Ze względu na różnice prędkości, cząsteczki powietrza w warstwie przyściennej zderzają się ze sobą. Tak powstaje siła skierowana zgodnie z kierunkiem prędkości przepływu, nazywana siłą oporu.
Przepływ turbulentny skutkuje dużo większym oporem niż przepływ laminarny, zatem jest on mniej korzystny z punktu widzenia konstrukcji oraz właściwości lotnych samolotu.
W celu zminimalizowania siły tarcia, konstruuje się profile laminarne mające za zadanie ustabilizować laminarny ruch cząsteczek powietrza w warstwie przyściennej skrzydła samolotu.
Profile laminarne charakteryzują się tym, iż przy pewnym zakresie kątów natarcia na skrzydle występują długie odcinki laminarnej warstwy przyściennej, które rozpoczynają się na krawędzi natarcia i ciągną się aż do miejsca, gdzie profil osiąga swoją największą grubość.
Ponadto powierzchnia skrzydła musi być gładka, bez uszczerbków czy zabrudzeń, a szorstkość pokrycia lakierniczego minimalna.
Zazwyczaj profile laminarne charakteryzują się przesunięciem maksimum grubości skrzydła do około połowy długości cięciwy, natomiast w profilach klasycznych maksimum grubości profilu skrzydła występuje w okolicach długości cięciwy.
Opór Kształtu
Opór kształtu zależy od kształtu ciała, jego wielkości oraz położenia w stosunku do opływającego dane ciało powietrza.
Za ciałem opływanym przez strugi powietrza tworzą się wiry. Powstawanie wirów związane jest z lepkością powietrza. Im mniej opływowy kształt ma ciało, tym tworzące się za nim wiry są większe.
Aby zrozumieć mechanizm powstawania wirów, należy poznać opływy różnych kształtów ciał w tunelu dymowym. Im mniejszy wir powstający za ciałem, tym mniejszy opór kształtu.
W miejscu, gdzie profil skrzydła jest najgrubszy, dochodzi do największego przewężenia strugi powietrza, zatem prędkość powietrza jest w tym miejscu największa (v2) i panuje tam najniższe ciśnienie (ΔP2). Zmiany ciśnienia przedstawiają manometry.
Po minięciu punktu, gdzie grubość profilu skrzydła osiąga maksimum, struga powietrza rozszerza się: zmniejsza swoją prędkość v3, a ciśnienie rośnie (ΔP3). Nacierające na skrzydło cząsteczki powietrza poruszają się w kierunku malejącego ciśnienia (z P1 do P2). Po minięciu najgrubszego miejsca na profilu skrzydła, te same cząsteczki powietrza poruszają się w stronę rosnącego ciśnienia (z P2 do P3).
Ruch ten jest możliwy dzięki energii kinetycznej cząsteczek. W warstwie przyściennej występuje opór tarcia, który pochłania energię kinetyczną cząsteczek, doprowadzając do ich zatrzymania. Wówczas, zgodnie z prawami fizyki, cząsteczki zaczynają poruszać się w kierunku obniżającego się ciśnienia, czyli poruszają się w przeciwnym kierunku do kierunku przepływu.
Poza warstwą przyścienną tarcie jest znikome, toteż cząsteczki powietrza poruszają się nadal w kierunku przepływu.
Cząsteczki w warstwie przyściennej oraz cząsteczki znajdujące się poza nią, poruszając się w przeciwnych kierunkach, wywołują zawirowanie, które odrywa strugi od powierzchni skrzydła, tworząc tzw. warkocz wirowy. W warkoczu wirowym panuje niskie ciśnienie, toteż poruszające się ciało jest niejako „odsysane” do tyłu, przez co ciało napotyka opór w ruchu do przodu.
Inną przyczyną powstawania wirów jest oderwanie się strug powietrza od ciała, gdy powietrze przepływa przez ostre krawędzie.
Opór Indukowany
Kształt profilu lotniczego skrzydła samolotu zaprojektowany jest tak, aby powietrze płynące nad skrzydłem (większa prędkość przepływu strugi oraz niższe ciśnienie) przebywało dłuższą drogę niż pod skrzydłem (mniejsza prędkość przepływu strugi oraz wyższe ciśnienie) i wytwarzało siłę nośną utrzymującą w powietrzu samolot.
Tworzące się nad- i podciśnienie na skrzydle samolotu są jednocześnie źródłem oporu indukowanego. Cząsteczki powietrza niejako uciekają na brzegach skrzydła z obszaru o wyższym ciśnieniu na obszar, na którym panuje niższe ciśnienie. W praktyce wygląda to tak, jakby cząsteczki opływały brzegi skrzydła z dołu do góry (Vy).
Ponieważ powietrze jest lepkie, cząsteczki opływające końce skrzydła pociągają za sobą cząsteczki sąsiednie, tworząc dodatkowy ruch powietrza. Ten dodatkowy ruch cząsteczek powietrza Vy zmienia wypadkowy kierunek opływu strug powietrza na profilu skrzydła. Kierunek przepływu powietrza na górnej powierzchni skrzydła skierowany jest w stronę kadłuba samolotu, natomiast na dolnej powierzchni - ku końcom skrzydła.
W efekcie poza krawędzią spływu skrzydła spotykają się strugi powietrza o różnych kierunkach, tworząc tzw. wiry brzegowe. Wiry brzegowe są bezpośrednią przyczyną powstawania oporu indukowanego. Opór indukowany nie ma stałej wartości. Jego wielkość zależy od siły nośnej oraz od obrysu skrzydła.
Im większa intensywność opływu powietrza wokół skrzydeł, tym większy opór indukowany. Im większa siła nośna wywołana różnicą ciśnień na górnej i dolnej powierzchni skrzydła, tym większe wiry brzegowe. Zatem - im większa siła nośna, tym większy opór indukowany.
Konstrukcja Płatowca Statku Powietrznego
Elementy konstrukcyjne skrzydła:
- Sloty (skrzela): Korekta własności aerodynamicznych przy małych prędkościach.
- Lotka: Powierzchnie sterowe do kontroli obrotu wokół osi podłużnej.
- Trymer (klapka wyważająca): Zrównoważenie samolotu bez odchylania steru.
- Klapy zewnętrzne/wewnętrzne: Zwiększenie siły nośnej i oporu.
- Ster wysokości: Obroty wokół osi poprzecznej (pochylanie).
- Ster kierunku: Obrót wokół osi pionowej (zakręty).
- Statecznik: Stabilność lotu w poziomie.
- Hamulce aerodynamiczne: Ograniczenie prędkości.
- Klapy Krugera: Opóźnienie oderwania strug przy dużych kątach natarcia.
Elementy Konstrukcyjne Skrzydła
- Dźwigary: Wzdłuż skrzydła, zapewniają wytrzymałość.
- Żeberka: Poprzeczny szkielet, nadają kształt.
- Podłużniczki: Pręty wzdłuż skrzydła, podpora poszycia.
- Poszycie: Obudowa skrzydła.
- Szwy nitowe: Łączenia poszycia z konstrukcją.
Budowa Żeberka
Żebra tworzą poprzeczny szkielet skrzydła, nadają mu wymagany kształt aerodynamiczny, przenoszą obciążenia aerodynamiczne z poszycia na dźwigary, a także usztywniają poszycie zwiększając jego wytrzymałość i stateczność.
Żebra wzmocnione stosowane są, gdy zachodzi konieczność przeniesienia dodatkowych obciążeń w formie sił skupionych, czyli np. w miejscach montażu podwozia, zespołu napędowego.
Konstrukcja Integralna
Konstrukcja skrzydła wykonana z płyt integralnych, gdzie poszycie jest wzmocnione podłużnymi listwami łączącymi się z żebrami.
Konstrukcja Przekładkowa
Wielowarstwowe pokrycie składające się z dwóch zewnętrznych płyt, między którymi znajduje się wypełniacz:
- Wypełnienie komórkowe (sześciokątne lub rombowe tuby).
- Wypełnienie porowate (gąbka).
- Wypełnienie z blachy falistej.
tags: #samolot #konstrukcja #skrzydła #odwrócona #delta
